寬帶彎曲不敏感多模光纖

沈一春，蔣新力，范艷層，許維維

(中天科技精密材料有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引 言

近年來，隨著光纖接入(Fiber To The X，F(xiàn)TTX)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和云存儲(chǔ)等新技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信量呈指數(shù)級(jí)上升趨勢(shì)，對(duì)多模光纖的傳輸性能要求不斷提高。尤其在數(shù)據(jù)中心這類大型局域網(wǎng)系統(tǒng)中，高速數(shù)據(jù)傳輸需要在有限空間內(nèi)布放更多光纖鏈路，光纖經(jīng)常會(huì)經(jīng)受不同程度的彎曲，而在多模光纖中傳輸?shù)母唠A模很容易在光纖彎曲時(shí)從包層中泄漏出去，光纖衰減增加，從而可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真，增加了系統(tǒng)出現(xiàn)誤碼的可能。因此，為了滿足未來400 Gbit/s，甚至是1 Tbit/s以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，需要開發(fā)兼?zhèn)涓邆鬏斎萘亢偷蛷澢鷵p耗性能的多模光纖[1-7]。

為了獲得較高的傳輸容量，光纖應(yīng)有盡可能寬的帶寬?？赏ㄟ^調(diào)整剖面折射率分布指數(shù)α來有效控制模間色散，進(jìn)而提高帶寬性能[8]。

然而在實(shí)際傳輸過程中，有些高階模無法被完全限制在芯層內(nèi)，會(huì)有部分在包層傳輸，由于芯—包邊界處的折射率突變，高階模式不能被適當(dāng)補(bǔ)償，帶寬性能降低。這種包層界面效應(yīng)對(duì)帶寬有影響，在彎曲不敏感多模光纖中尤其凸顯。現(xiàn)有關(guān)于高帶寬彎曲不敏感多模光纖的報(bào)導(dǎo)主要是通過在芯層和凹陷層之間增加和調(diào)整平臺(tái)層深度折射率差和寬度以及采用多環(huán)結(jié)構(gòu)等方式來提高帶寬性能。然而，受到光纖幾何尺寸限制，現(xiàn)有設(shè)計(jì)仍不能有效抵消界面效應(yīng)對(duì)帶寬的影響[9-11]。

1 光纖材料組成優(yōu)化設(shè)計(jì)

為解決市場(chǎng)對(duì)光纖帶寬容量不斷提升的需求，非常有必要在高帶寬和高抗彎曲性能且滿足多模光纖標(biāo)準(zhǔn)的前提下，降低最優(yōu)剖面折射率分布參數(shù)αopt與波長(zhǎng)之間的敏感性，優(yōu)化帶寬的多波長(zhǎng)特性。

通信用多模光纖纖芯漸變區(qū)域設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)上主要通過調(diào)節(jié)GeO2、F或P2O5的摻雜量來控制折射率剖面的分布，優(yōu)化剖面折射率分布參數(shù)α，從而調(diào)節(jié)光纖的帶寬。本文通過顯著提高和優(yōu)化不同纖芯半徑位置F或/和P2O5的摩爾濃度來實(shí)現(xiàn)在較寬波長(zhǎng)范圍(800～1 500 nm)內(nèi)減小各波長(zhǎng)間αopt的差值Δαopt。

針對(duì)由GeO2/F/P2O5共摻組成的玻璃芯層，P2O5和F在芯層的摩爾濃度隨半徑的變化如圖1所示。

多模光纖芯層GeO2、F及P2O5共摻的摻雜物濃度設(shè)計(jì)及Δαopt如表1所示。圖2所示為αopt與波長(zhǎng)間的關(guān)系圖。波長(zhǎng)范圍為850～950 nm時(shí)Δαopt范圍為0.016～0.023，波長(zhǎng)范圍為850～1 300 nm時(shí)Δαopt范圍為0.053～0.086。

表1 多模光纖芯層摻雜物濃度設(shè)計(jì)及Δαopt

圖2 GeO2/F/P2O5共摻寬帶彎曲不敏感多模光纖αopt與波長(zhǎng)之間的關(guān)系圖

由上文可知，通過對(duì)多模光纖纖芯材料組分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最佳剖面折射率分布參數(shù)αopt與波長(zhǎng)之間的敏感性大幅降低。

圖3所示為材料組分優(yōu)化前后多模光纖帶寬與波長(zhǎng)的關(guān)系圖。曲線31為未經(jīng)優(yōu)化(摻雜)的多模光纖在890 nm波長(zhǎng)的最佳剖面折射率分布參數(shù)αopt_890條件下光纖帶寬隨波長(zhǎng)的變化；曲線32為經(jīng)過優(yōu)化后(摻雜)的多模光纖帶寬隨波長(zhǎng)的變化；曲線33為OM3多模光纖的帶寬要求；曲線34為OM4多模光纖的帶寬要求?？梢姡?jīng)過材料組分優(yōu)化后的多模光纖，由于αopt與波長(zhǎng)間的敏感性大幅降低，故帶寬的多波長(zhǎng)特性得到了顯著優(yōu)化。

圖3 材料組分優(yōu)化前后多模光纖帶寬與波長(zhǎng)的關(guān)系圖

2 光纖結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為提升光纖帶寬，除了對(duì)材料組分優(yōu)化設(shè)計(jì)外，光纖結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵。圖4所示為脈沖中心時(shí)延差隨光纖半徑分布的模擬結(jié)果，由圖可知，芯層邊界無補(bǔ)償、補(bǔ)償不足和補(bǔ)償過大均會(huì)對(duì)光纖外芯層高階模傳輸速率產(chǎn)生影響，造成時(shí)延差增大，如何實(shí)現(xiàn)邊界處補(bǔ)償連續(xù)可調(diào)是本文光纖剖面設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵問題。

圖4 脈沖中心時(shí)延差隨光纖半徑分布關(guān)系圖

本文提出了一種新穎的寬帶彎曲不敏感多模光纖結(jié)構(gòu)，光纖從中心到外周依次包括纖芯、內(nèi)包層、凹陷包層和外包層，如圖5所示。

圖5 寬帶彎曲不敏感多模光纖剖面設(shè)計(jì)示意圖

纖芯由中心向外延伸距離Rg形成，其折射率剖面呈α冪指數(shù)函數(shù)分布，其中心折射率與外包層折射率差為Δn1，邊界Rg處相對(duì)外包層折射率差為dng；內(nèi)包層為從距離纖芯中心Rg處向外延伸距離Ru-Rg形成，與芯層交界點(diǎn)為g，其折射率n(r)呈線性或近似拋物線分布，與水平方向夾角θ<45°，與凹陷包層交界點(diǎn)為u，相對(duì)外包層折射率差為dnu，且根據(jù)設(shè)計(jì)帶寬要求，u點(diǎn)位置可沿水平和垂直方向連續(xù)調(diào)節(jié)；芯層拋物線剖面延伸點(diǎn)為e，半徑為Re，相對(duì)外包層折射率差dne=dnu；凹陷包層為從距離內(nèi)包層Ru處向外延伸距離Rf-Ru形成，相對(duì)外包層折射率差為Δn2；外包層由Rf至Rmax區(qū)域形成，一般為純石英材料，其折射率為nc=nSiO2。

光纖預(yù)制棒由芯棒和外包層組成。本文芯棒采用改進(jìn)型化學(xué)氣相沉積(Modified Chemical Vapor Deposition，MCVD)，芯棒結(jié)構(gòu)包含纖芯、內(nèi)包層和凹陷包層。光纖預(yù)制棒通過拉絲工藝得到光纖樣品。各光纖樣品的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用光纖分析系統(tǒng)PK2500對(duì)樣品帶寬和脈沖時(shí)延差進(jìn)行分析測(cè)試，采用光時(shí)域反射儀(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)測(cè)試分析樣品的衰減特性，采用CD400測(cè)試分析樣品彎曲損耗性能。

3 結(jié)果和分析

多模光纖纖芯漸變區(qū)域設(shè)計(jì)傳統(tǒng)上主要通過調(diào)節(jié)GeO2、F或P2O5的摻雜量控制折射率剖面的分布，優(yōu)化剖面折射率分布參數(shù)α，從而調(diào)節(jié)光纖的帶寬。通過對(duì)纖芯材料組分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最佳剖面折射率分布參數(shù)αopt與波長(zhǎng)之間的敏感性大幅降低，進(jìn)而優(yōu)化帶寬多波長(zhǎng)特性。

此外，由于芯層與內(nèi)包層之間存在折射率突變，高階模式不能被適當(dāng)補(bǔ)償，往往在差模延遲(Differential Mode Delay，DMD)測(cè)量中會(huì)出現(xiàn)邊界處高階模顯示出多脈沖，這種邊界效應(yīng)尤其在有深摻氟多模剖面中凸顯。理論上可通過優(yōu)化內(nèi)包層折射率曲線分布和角度參數(shù)變化來連續(xù)調(diào)節(jié)邊界處高階模傳輸速率，從而有效減小或抑制包層界面效應(yīng)，提高帶寬。本文通過調(diào)整u點(diǎn)的半徑或相對(duì)折射率差來改變高階模的延遲，隨著Ru和/或折射率差dnu的增加，補(bǔ)償增大，高階模延遲減小，相反Ru和/或折射率差dnu減小時(shí)，補(bǔ)償減小，高階模延遲增大。

本設(shè)計(jì)中，纖芯中心的折射率差Δn1為0.013～0.016，纖芯折射率漸變區(qū)域Rg為22～32 μm。內(nèi)包層折射率為線性或近似拋物線變化，其寬度(Ru-Rg)為0.8～2.0 μm，拐點(diǎn)g相對(duì)外包層折射率差dng的范圍為0.000 5～0.002 0，調(diào)節(jié)點(diǎn)u相對(duì)外包層折射率差dnu的范圍為-0.000 5～0.000 5，拋物線延伸點(diǎn)與拐點(diǎn)g半徑差Re-Rg范圍為0.2～1.0 μm。凹陷包層可通過摻氟實(shí)現(xiàn)，其摻氟寬度為2.5～5.5 μm，折射率下陷差Δn2為-0.003～-0.006。包層半徑Rmax為62.5±2.5 μm，剖面折射率分布參數(shù)α為1.90～2.10。

本設(shè)計(jì)光纖樣品1和樣品2的測(cè)試長(zhǎng)度為8.8 km，折射率剖面圖及實(shí)物圖分別如圖6和7所示。

圖6 樣品折射率剖面圖

圖7 樣品實(shí)物圖

樣品1，Ru-Rg為1.0 μm；拐點(diǎn)處半徑Rg為25.1 μm，對(duì)應(yīng)折射率差dng為1.35×10-3；調(diào)節(jié)點(diǎn)u半徑Ru為27.0 μm，對(duì)應(yīng)折射率差dnu為-0.54×10-3，與延伸點(diǎn)e距離Ru-Re為0.2 μm；凹陷摻F層深度Δn2為-5.1×10-3；邊界處時(shí)延差為0.068 8 ps/m，補(bǔ)償不足，如圖8所示。

樣品2，Ru-Rg為1.1 μm；拐點(diǎn)處半徑Rg為24.3 μm，對(duì)應(yīng)折射率差dng為1.2×10-3；調(diào)節(jié)點(diǎn)u半徑Ru為25.7 μm，對(duì)應(yīng)折射率差dnu為0.4×10-3，與延伸點(diǎn)e距離Ru-Re為0.5 μm；凹陷摻F層深度Δn2為-3.4×10-3；邊界處時(shí)延差為-0.097 1 ps/m，補(bǔ)償較佳，如圖8所示。

圖8 脈沖中心時(shí)延差隨半徑分布關(guān)系圖

不同光纖樣品與現(xiàn)有彎曲不敏感多模光纖(OM4)的性能比較如表3所示。由表可知，由于樣品1補(bǔ)償不足，其有效模式帶寬和1 300 nm處的滿注入帶寬小于現(xiàn)有彎曲不敏感多模光纖；樣品2補(bǔ)償較佳，其帶寬、彎曲損耗及衰減都優(yōu)于現(xiàn)有彎曲不敏感多模光纖的相關(guān)性能。

表3 不同光纖樣品和現(xiàn)有彎曲不敏感多模光纖(OM4)的性能比較

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從材料組成和剖面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，提出了改善寬帶彎曲不敏感多模光纖性能的措施。光纖從中心到外周依次包括纖芯、內(nèi)包層、凹陷包層和外包層。一方面通過優(yōu)化纖芯摻雜元素的濃度分布，降低最佳剖面折射率分布參數(shù)αopt與波長(zhǎng)之間的敏感性，提高多模光纖的帶寬多波長(zhǎng)特性；另一方面，在芯—包界面處采用連續(xù)可調(diào)節(jié)的剖面結(jié)構(gòu)(內(nèi)包層)，不僅可以減小芯層和凹陷包層粘度差對(duì)光纖性能的影響，而且還可以通過調(diào)節(jié)界面折射率，優(yōu)化高階模在界面處的傳輸速率，提高光纖帶寬性能。為了突出新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性，本文制備了具有不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的光纖，并對(duì)不同光纖樣品進(jìn)行了性能測(cè)試和討論，測(cè)試結(jié)果表明，該新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的光纖不僅具有較高的帶寬特性，還具有較低的彎曲損耗。